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(11) | EP 0 101 577 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren und Vorrichtung zur empfangsseitigen Rückgewinnung eines Taktsignals |
| (57) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur empfangsseitigen
Rückgewinnung eines Taktsignals aus einem mittels binärer Frequenzmodulation (Frequenzumtastung)
mit einem Datensignal beaufschlagten Empfangssignal durch Frequenzteilung des Empfangssignals.
Um mit einfachen Mitteln eine sichere Rückgewinnung des Taktsignals d durchführen
zu können, wird mit einem dem Datensignal entsprechenden Steuersignal b der Teilerfaktor
(p, q) bei der Frequenzteilung gesteuert. Das Steuersignal b ist durch Demodulation
des Empfangssignals (Signal a) gewonnen. Die Erfindung ist vor allem bei Datenübertragungssystemen, speziell Bussystemen, anwendbar. |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur empfangsseitigen Rückgewinnung eines Taktsignals aus einem mit einem Datensignal beaufschlagten Empfangssignal bei einer Datenübertragung, bei dem das Taktsignal mittels Frequenzteilung aus dem Empfangssignal rückgewonnen wird.
[0002] Es ist bereits bekannt, daß zur phasen- und frequenzgenauen Rückgewinnung des Taktsignals bei einer Datenübertragung das Taktsignal aus dem Empfangssignal zurückgewonnen wird (Hölzler/Holzwarth "Pulstechnik II", Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg - New York, 1976, Seiten 262 bis 265). Hieraus ist weiterhin bekannt, daß das Taktsignal mittels schmalbandiger Filter aus dem Datensignal (demoduliertes Empfangssignal) zurückgewonnen werden kann. Diese Verfahren können sowohl bei sogenannten Basisband-Systemen als auch bei trägerfrequenten Systemen (mit Frequenzumtastung) angewendet werden. Es muß aber in jedem Fall sichergestellt sein, daß genügend Information zur Taktrückgewinnung im Datensignal enthalten ist. Dies ist z. B. nicht gewährleistet, wenn längere Null- oder Eins-Folgen im Datensignal auftreten. Beispielsweise kann man mit Hilfe eines Verwürflers längere Null- oder Eins-Folgen im gesendeten Datensignal zwar vermeiden, bei relativ kurzen Datentelegrammen kommt es jedoch zu Synchronisationsschwierigkeiten des hier notwendigen Entwürflers auf der Empfangsseite. Bei der Übertragung von relativ kurzen Datentelegrammen ist außerdem die Einschwingzeit der oben erwähnten schmalbandigen Filter von Nachteil.
[0003] Darüber hinaus gibt es noch die Möglichkeit, durch eine entsprechende Codierung des zu übertragenden Signals die Taktrückgewinnung auf der Empfangsseite zu erleichtern, was jedoch zu einer Reduktion der Übertragungsgeschwindigkeiten bzw. einer Vergrößerung der erforderlichen Bandbreite des Signals bis um den Faktor 2 führt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur empfangsseitigen Rückgewinnung eines Taktsignals zu schaffen, bei dem bei einer Modulation des Sendesignals mittels Frequenzumtastung mit einfachen Mitteln eine hinreichend genaue Rückgewinnung von Taktfrequenz und Taktphase auf der Empfangsseite möglich ist.
[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe ist es bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art notwendig, daß das Sendesignal durch binäre Frequenzmodulation (Frequenzumtastung) mit einem Datensignal moduliert ist und daß das Empfangssignal demoduliert wird und das somit wiedergewonnene Datensignal ein Steuersignal darstellt, mit dem ein veränderbarer Teilerfaktor bei der Frequenzteilung einstellbar ist.
[0006] Die Erfindung macht sich in vorteilhafter Weise die Erkenntnis zunutze, daß bei einer Modulation mittels Frequenzumtastung sowohl Frequenz als auch Phase des Schritttaktes der Frequenzumtastung auch im modulierten Trägersignal empfangsseitig enthalten sind, wenn das Träger-. signal durch Vervielfachen und Teilen aus dem Taktsignal selber gewonnen wird.
[0007] Eine besonders einfache Erzeugung des Taktsignals auf der Sendeseite ist ermöglicht, wenn zur-Rückgewinnung des Taktsignals aus den Nulldurchgängen des Empfangssignals ein Binärsignal erzeugt wird, das Binärsignal zeitverzögert wird und das verzögerte Binärsignal mit einem vom Steuersignal abhängigen Teilerfaktor in seiner Frequenz geteilt wird, wobei dieses Signal das Taktsignal darstellt. Bei der weiteren Verarbeitung des Taktsignals ist es vorteilhaft, wenn aus den negativen Flanken des Taktsignals Taktimpulse gewonnen werden.
[0008] Desweiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit den-in den Unteransprüchen 4 oder 5 angegebenen Merkmalen vorteilhaft durchgeführt werden.
[0009] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Vorrichtung in vorteilhafter Weise einen Demodulator auf, an dessen Eingang das Empfangssignal und an dessen Ausgang das Steuersignal anliegt; ein Taktrückgewinnungsbaustein ist vorhanden, an dessen einem Eingang das Empfangssignal, an dessen zweitem Eingang das Steuersignal anliegt und der an seinem Ausgang Taktimpulse abgibt.
[0010] Der Taktrückgewinnungsbaustein ist zur Auswertung der Nulldurchgänge des übertragenen Datensignals in vorteilhafter Weise so aufgebaut, daß er einen Nulldurchgangsdiskriminator aufweist, dessen Eingang der Eingang des Bausteins ist und dessen Ausgang über eine Verzögerungsleitung auf den Eingang eines umschaltbaren Frequenzteilers geführt ist, der zweite Eingang des Taktrückgewinnungsbausteins mit einem Schalteingang des Frequenzteilers verbunden ist und daß eine monostabile Kippstufe an den Ausgang des Frequenzteilers geschaltet ist, wobei der Ausgang der Kippstufe den Ausgang des Taktrückgewinnungsbausteins darstellt.
[0011] Andere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mit den weiteren Unteransprüchen angegeben.
[0012] Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 ein Impulsdiagramm der in der Vorrichtung nach Figur 1 auftretenden Signale,
Figur 3 das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Figur 1 mit einem detailliert gezeigten Demodulator und
Figur 4 ein Prinzipschaltbild des Taktrückgewinnungsbausteins der beschriebenen Vorrichtung darstellt.
[0013] Bei der Anordnung nach der Figur 1 liegt am Eingang 1 eines Eingangsverstärkers EV ein von einer nicht dargestellten Datenübertragungseinrichtung empfangenes Signal an. Ein Signal a am Ausgang 2 des Eingangsverstärkers EV, der eventuell auch einen Entzerrer enthalten kann, wird auf den Eingang 3 einer Demodulatorschaltung D und auf den Eingang 4 eines Taktrückgewinnungsbausteins TR geführt. Der Taktrückgewinnungsbaustein TR enthält einen Nulldurchgangsdiskriminator ND, an dessen Ausgang ein Signal c ansteht, eine Verzögerungsleitung VL, an deren Ausgang ein Signal c' anliegt, und einen umschaltbaren Frequenzteiler FT, der an seinem Ausgang ein Taktsignal d abgibt. An einen Steuereingang 5 ist ein Steuersignal b vom Ausgang 6 der Demodulatorschaltung D geführt. Das Taktsignal d der Frequenzteilerschaltung FT ist über eine monostabile Kippschaltung MF auf den Ausgang 7 des Taktrückgewinnungsbausteins TR geführt, an dessen Ausgang somit Taktimpulse e abgenommen werden können.
[0014] Zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach der Figur 1 ist gleichzeitig auf die Impulsdiagramme nach der Figur 2 zu verweisen, in denen die Signale a bis e des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels über der Zeit t dargestellt sind. Das Signal a am Ausgang des Eingangsverstärkers EV stellt ein frequenzmoduliertes Trägersignal dar, dessen Frequenz mit einer binären Zeichenfolge (Datensignal) hart umgetastet (moduliert) ist. Im Diagramm zu Signal a sind hier die Nulldurchgänge 10, die für die weitere Auswertung herangezogen werden, gekennzeichnet. Nach der Demodulation mit dem in bekannter Weise (beispielsweise als Ringdemodulator) aufgebauten Demodulator D ergibt sich das Steuersignal b als binäre Zeichenfolge, die das zu übertragende Datensignal darstellt und die zur Umschaltung des veränderbaren Frequenzteilers FT herangezogen wird.
[0015] Bei der sendeseitigen Modulation des trägerfrequenten Signals ist hierbei so verfahren worden, daß die Anzahl der während einer Zeichenlänge T', T" usw. (vergleiche Diagramm zu Steuersignal b in Figur 2) erzeugten Halbperiodendes trägerfrequenten Signals (entsprechend Signal a in Figur 2) jeweils ganzzahlig ist.
[0016] Die Nulldurchgänge 10 des trägerfrequenten Signals a werden mit dem Nulldurchgangsdiskriminator ND erfaßt und mit einer Verzögerungsleitung VL in dem Maße zeitverzögert, in dem der Demodulator D eine Zeitverzögerung hervorruft, so daß am Ausgang der Verzögerungsleitung VL ein Signal c' in der dargestellten Form ansteht. Das Steuersignal b (Datensignal) steuert den umschaltbaren Frequenzteiler FT derart, daß beispielsweise bei einer binären "1" des Signals b der Frequenzteiler FT um den Faktor q = 3 teilt und bei einer binären "0" des Signals e um einen Faktor p = 2 teilt. Es ergibt sich somit das Signal d, bei dem während der Zeit einer binären "1" des Signals b drei Impulse zur Bildung eines Impulses herangezogen werden und während der Zeiten einer binären "0" zwei Impulse zur Bildung eines Impulses herangezogen werden.
[0017] Das Signal e, das am Ausgang des Taktrückgewinnungsbausteins TR ansteht, enthält Impulse, die den negativen Flanken des Signals d entsprechen und die in Taktfrequenz und Taktphase dem ursprünglichen Taktsignal bei der Datenübertragung entsprechen.
[0018] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Demodulatorschaltung D als Phasenregelkreis (PLL-Demodulator) aufgebaut ist; Bausteine, die mit denen der Figur 1 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
[0019] Bei dem hier dargestellten Demodulator D liegt an einem Eingang 11 eines Phasendiskriminators PD das trägerfrequente Signal a an, an einem Eingang 12 liegt das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO an. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators PD wird über einen Tiefpaß TP einem Spannungskomparator SK zugeführt. Das Ausgangssignal des Tiefpasses TP dient als Steuergröße für die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO, so daß in diesem beschriebenen Regelkreis eine Nachregelung der Phase erfolgt und aus der Steuergröße für den steuerbaren Oszillator VCO das Steuersignal b mittels des Spannungskomparators SK erzeugbar ist. Das Steuersignal b, das auch hier aus einer binären Zeichenfolge besteht, wird in der oben beschriebenen Art und Weise weiterverarbeitet. Der Unterschied zu dem in der Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht darin, daß hier die Nulldurchgänge des Referenzsignals (Signal am Eingang 12) und nicht die des Signals a ausgewertet werden.
[0020] In der Figur 4 ist eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des Rückgewinnungsbausteins TR gezeigt, an dessen Eingängen 4 und 5 die Signale a und b in der anhand der Figuren 1 und 2 erläuterten Form anliegen. Der Nulldurchgangsdiskriminator ND weist als Eingangsstufe einen als Spannungskomparator SK1 aufgebauten Operationsverstärker auf, an dessen positiven Eingang der Wechselspannungsanteil des trägerfrequenten Signals a geführt ist; der negative Eingang ist nach Masse gelegt. Der Ausgang des Spannungskomparators SK1 ist mit dem Eingang eines Flankendiskriminators FD1 verbunden, der ein EXKLUSIV-ODER-Gatter U1 enthält. Am ersten Eingang 15 des EXKLUSIV-ODER-Gatters U1 liegt direkt das Ausgangssignal des Spannungskomparators SK1 und am'zweiten Eingang 16 das über drei Negationsglieder N1 ... N3 geführte Ausgangssignal des Spannungskomparators SK1 an. Der negierte Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Gatters U1 stellt den Ausgang des Nulldurchgangsdiskriminators ND dar. Der Ausgang des Nulldurchgangsdiskriminators ND ist, wie auch bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, über eine Verzögerungsleitung VL auf den Eingang des umschaltbaren Frequenzteilers FT und hier jeweils auf die Takteingänge von JK-Kippstufen K1 und K2 geführt. Der negierte Ausgang der Kippstufe K1 ist auf einen ersten Eingang 17 eines UND-Gatters U2 geführt, wobei der zweite Eingang 18 des UND-Gatters U2 mit dem am Steuereingang 5 anliegenden Steuersignal b beaufschlagt ist. Der negierte Ausgang des UND-Gatters U2 ist auf den Eingang J der zweiten Kippstufe K2 geführt, deren nicht negierter Ausgang den Ausgang des Frequenzteilers FT darstellt. Der negierte Ausgang der zweiten Kippstufe K2 ist auf den Eingang J der ersten Kippstufe K1 zurückgeführt.
[0021] Auf Rücksetzeingänge 19 und 20 der Kippstufen K1 und K2 sind Ausgangsimpulse eines weiteren Flankendiskriminators FD2 geführt, der auch Bestandteil der Frequenzteilerschaltung FT ist. Der Flankendiskriminator FD2 enthält ein EXKLUSIV-ODER-Gatter U3, dessen erster Eingang 21 direkt mit dem Steuersignal b beaufschlagt ist und dessen zweiter Eingang 22 mit dem über vier Negationsglieder N5 ... N8 geführten Steuersignal b beaufschlagt ist.
[0022] Der Ausgang 7 der Frequenzteilerschaltung FT, an dem das Signal d anliegt, ist in gleicher Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen über eine monostabile Kippstufe MF auf den Ausgang 8 des Taktrückgewinnungsbausteins TR geführt.
[0023] Zur Erläuterung der in der Figur 4 dargestellten Schaltung ist auch auf die in der Figur 2 dargestellten Impulsdiagramme zu verweisen. Das sinusförmige, trägerfrequente Signal a wird mittels des Spannungskomparators SK1 in ein Rechtecksignal umgeformt. Mit Hilfe des ersten Flankendiskriminators FD1 werden aus den Nulldurchgängen 10 αieses Signals a Nadelimpulse gewonnen, die in der Verzögerungsleitung VL um die Zeit verzögert werden, welche für die Demodulation in dem weiter oben beschriebenen Demodulator D benötigt wird. Das am Ausgang der Verzögerungsleitung VL vorliegende Signal c' wird dem umschaltbaren Frequenzteiler FT zugeführt, dessen Teilerfaktor p bzw. q abhängig vom Steuersignal b z. B. entweder 2 oder 3 beträgt, je nachdem, ob die Frequenz des trägerfrequenten Signals a gerade zweimal oder dreimal so groß ist wie die halbe Frequenz des Taktsignals (Nyquist-Frequenz). Am Ausgang 7 des Frequenzteilers FT steht dann das Taktsignal d zur Verfügung, dessen abfallende Flanken äquidistant sind, wobei mit der monostabilen Kippstufe MF jedes beliebige Tastverhältnis des Taktsignals zur Gewinnung von Taktimpulsen e eingestellt werden kann.
a) das Taktsignal mittels Frequenzteilung aus dem Empfangssignal rückgewonnen wird,
dadurch gekennzeichnet , daß
b) das Sendesignal durch binäre Frequenzmodulation (Frequenzumtastung) mit einem Datensignal moduliert ist und daß
c) das Empfangssignal a demoduliert wird und das somit wiedergewonnene Datensignal ein Steuersignal b darstellt, mit dem
c1) ein veränderbarer Teilerfaktor (p, q) bei der Frequenzteilung einstellbar ist.
d) zur Rückgewinnung des Taktsignals d aus den Nulldurchgängen des Empfangssignals a ein Binärsignal c erzeugt wird,
e) das Binärsignal c phasenverzögert wird und
f) das phasenverzögerte Binärsignal c' mit dem vom Steuersignal b abhängigen Teilerfaktor (p, q) in seiner Frequenz geteilt wird.
g) aus den negativen Flanken des Taktsignals d Taktimpulse e gewonnen werden.
h) das Steuersignal b für die Zeit der durch die Frequenzumtastung erzeugten, relativ großen Frequenz eine binäre "1" aufweist und für die Zeit der relativ geringen Frequenz eine binäre"0" aufweist und
i) das Steuersignal b mit der binären "0" einen Teilerfaktor 2 und mit der binären "1" einen Teilerfaktor 3 erzeugt.
j) zur Synchronisierung der Frequenzteilung jeder Zustandswechsel des Steuersignals b zu einer Rücksetzung in den Anfangszustand bei der Frequenzteilung führt.
k) ein Demodulator (D) vorhanden ist, an dessen Eingang das Empfangssignal a und an dessen Ausgang das Steuersignal b anliegt,
1) ein Taktrückgewinnungsbaustein (TR) vorhanden ist, an dessen einem Eingang das Empfangssignal a, an dessen zweitem Eingang das Steuersignal b anliegt und der an seinem Ausgang Taktimpulse e abgibt.
m) der Taktrückgewinnungsbaustein (TR) einen Nulldurchgangsdiskriminator (ND) aufweist, dessen Eingang der Eingang des Bausteins (TR) ist und dessen Ausgang über eine Verzögerungsleitung (VL) auf den Eingang eines umschaltbaren Frequenzteilers (FT) mit veränderbarem Teilerfaktor geführt ist,
n) der zweite Eingang des Taktrückgewinnungsbausteins (TR) mit einem Schalteingang des Frequenzteilers (FT) verbunden ist und daß
o) eine monostabile Kippstufe (MF) an den Ausgang des Frequenzteilers (FT) geschaltet ist, wobei der Ausgang der Kippstufe (MF) den Ausgang des Taktrückgewinnungsbausteins (TR) darstellt.
p) der Demodulator (D) als Phasenregelkreis ausgeführt ist, der
p1) einen Phasendiskriminator (PD) aufweist, an dessen einem Eingang das Empfangssignal a und an dessen zweitem Eingang das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) anliegt, bei dem
p2) der Ausgang des Phasendiskriminators (PD) über einen Tiefpaß (TP) auf den Eingang eines Spannungskomparators (SK) und auf den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geführt ist und bei dem
p3) das Ausgangssignal des Spannungskomparators (SK) das Steuersignal b darstellt.
q) dem Demodulator ein Eingangsverstärker (EV) vorgeschaltet ist.
r) der Nulldurchgangsdiskriminator (ND) weist als Eingangsstufe einen als Spannungskomparator (SK1) geschalteten Operationsverstärker auf, dessen Ausgang einerseits direkt auf einen Eingang eines EXKLUSIV-ODER-Gatters (U1) und andererseits über drei hintereinandergeschaltete Negationsglieder (N1 ... N3) auf einen zweiten Eingang des EXKLUSIV-ODER-Gatters (U1) geführt ist,
s) der negierte Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Gatters (U1) ist über das Verzögerungsglied (VL) auf den einen Eingang des umschaltbaren Frequenzteilers (FT) geführt,
t) der Frequenzteiler (FT) enthält zwei JK-Kippstufen (K1, K2), an deren Takteingang jeweils das Ausgangssignal c' der Verzögerungsleitung (VL) anliegt,
u) der negierte Ausgang der ersten Kippstufe (K1) ist an einen Eingang eines UND-Gatters (U2) angeschaltet, an dessen anderem Eingang das Steuersignal b anliegt, wobei der negierte Ausgang des UND-Gatters (U2) auf den Eingang (J2) der zweiten Kippstufe (K2) geführt ist,
v) der nicht negierte Ausgang der zweiten Kippstufe (K2) stellt den Ausgang der Taktrückgewinnungsschaltung (TR) dar, und der negierte Ausgang ist auf den Eingang (J1) der ersten Kippstufe (K1) geführt,
w) das Steuersignal b ist weiterhin direkt auf einen Eingang eines dritten EXKLUSIV-ODER-Gatters (U3) geführt und über vier hintereinandergeschaltete Negationsglieder (N5 ... N8) auf den anderen Eingang dieses EXKLUSIV-ODER-Gatters (U3), wobei der negierte Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Gatters (U3) jeweils an einen Rücksetzeingang der JK-Kippstufen (K1, K2) geschaltet ist.